(57)【要約】【課題】  高分子電解質膜と触媒層との位置ずれ無くし、アクティブ領域減少を無くすことのできる高分子電解質膜と触媒層の積層方法を提供する。【解決手段】  第１プレートの上に着脱自在とした第１、第２及び第３位置決め部材のそれぞれの基準面に、第１触媒層形成シート１０４、固体高分子電解質膜１８、第２触媒層形成シート１１１を順に突き当てて位置決め配置させた後、第１触媒層形成シート１０４の上に固体高分子電解質膜１８と第２触媒層形成シート１１１を積層した積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部１１８を形成し、第３位置決め部材を取り外して前記積層シートの上に第２プレートを載せ、これら第１及び第２プレートでその間に挟み込んだ積層シートをホットプレスして接合一体化する。【選択図】      図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１プレートの上に着脱自在とされる第１位置決め部材を載せ、その第１位置決め部材の基準面に第１触媒層形成シートを突き当てて位置決め配置する第１工程と、
前記第１位置決め部材を取り外して第２位置決め部材を前記第１プレートの上に載せ、その第２位置決め部材の基準面に高分子電解質膜を突き当てて、該高分子電解質膜を前記第１触媒層形成シートの上に位置決め配置する第２工程と、
前記第２位置決め部材を取り外して第３位置決め部材を前記第１プレートの上に載せ、その第３位置決め部材の基準面に第２触媒層形成シートを突き当てて、該第２触媒層形成シートを前記高分子電解質膜の上に位置決め配置する第３工程と、
前記第１触媒層形成シート、高分子電解質膜及び第２触媒層形成シートが積層された積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部を形成する工程と、
前記第３位置決め部材を取り外して前記積層シートの上に第２プレートを載せ、これら第１及び第２プレートでその間に挟み込んだ積層シートをホットプレスして接合一体化する工程とを備えた
ことを特徴とする高分子電解質膜と触媒層の積層方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高分子電解質膜と触媒層の積層方法であって、
前記位置ずれ防止部は、前記積層シートの一部をパンチングで半抜きして孔部を形成し、その孔部内に半抜きして出来た返りを位置させ形成する
ことを特徴とする高分子電解質膜と触媒層の積層方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高分子電解質膜と触媒層の積層方法であって、
前記第１及び第２触媒層形成シートは、触媒層が形成されたカーボンペーパー又は転写シートからなる
ことを特徴とする高分子電解質膜と触媒層の積層方法。
【請求項４】
高分子電解質膜の両面に触媒層を積層する積層装置であって、
第１触媒層形成シートを載せる第１プレートと、
前記第１プレート上に着脱自在とされ、前記第１触媒層形成シートを基準面に突き当てて位置決めさせる第１位置決め部材と、
前記第１プレート上に着脱自在とされ、高分子電解質膜を基準面に突き当てて前記第１触媒層形成シートの上に該高分子電解質膜を位置決め配置させる第２位置決め部材と、
前記第１プレート上に着脱自在とされ、第２触媒層形成シートを基準面に突き当てて前記高分子電解質膜の上に該第２触媒層形成シートを位置決め配置させる第３位置決め部材とを備えた
ことを特徴とする積層装置。
【請求項５】
請求項４に記載された積層装置であって、
前記第１及び第２プレートがホットプレスプレートからなる
ことを特徴とする積層装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜と触媒層の積層方法及びそれらの積層装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子電解質膜の両面に電極をそれぞれ設けてなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟み込むことで燃料電池単セルを構成し、その燃料電池単セルの複数個を積層することで起電力を発生する燃料電池スタックとしている。
【０００３】
ところで、膜電極接合体は、高分子電解質膜と、その両面に設けられる触媒層と、この触媒層の上に設けられるガス拡散層とから構成される。高分子電解質膜の上に触媒層を形成するには、触媒層が形成されているカーボンペーパーや転写シートの上に高分子電解質膜を載せ、その上に同じく触媒層が形成されたカーボンペーパーまたは転写シートを載せた後、これらをホットプレスして接合一体化させている（例えば、特許文献１など参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８００２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、触媒層が形成されたカーボンペーパーまたは転写シートと高分子電解質膜とを手作業で位置合わせして積層しているため、積層時や積層後のハンドリングによる位置ずれが発生し、アクティブ領域（発電に寄与する領域）が減少する恐れがある。例えば、これらのシートと高分子電解質膜とが１ｍｍずれたとすると、アクティブ領域の５％もの領域が発電に寄与しない無駄領域となる。
【０００５】
そこで、本発明は、高分子電解質膜と触媒層との位置ずれ無くし、アクティブ領域減少を無くすことのできる高分子電解質膜と触媒層の積層方法及びそれらの積層装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る高分子電解質膜と触媒層の積層方法は、第１プレートの上に着脱自在とされる第１位置決め部材を載せ、その第１位置決め部材の基準面に第１触媒層形成シートを突き当てて位置決め配置する第１工程と、その第１位置決め部材を取り外して第２位置決め部材を前記第１プレートの上に載せ、該第２位置決め部材の基準面に高分子電解質膜を突き当てて、該高分子電解質膜を前記第１触媒層形成シートの上に位置決め配置する第２工程と、第２位置決め部材を取り外して第３位置決め部材を前記第１プレートの上に載せ、その第３位置決め部材の基準面に第２触媒層形成シートを突き当てて、該第２触媒層形成シートを前記高分子電解質膜の上に位置決め配置する第３工程と、第１触媒層形成シート、高分子電解質膜及び第２触媒層形成シートが積層された積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部を形成する工程と、第３位置決め部材を取り外して前記積層シートの上に第２プレートを載せ、これら第１及び第２プレートでその間に挟み込んだ積層シートをホットプレスして接合一体化する工程とを備える。
【０００７】
また、本発明に係る積層装置は、高分子電解質膜の両面に触媒層を積層する積層装置であって、第１触媒層形成シートを載せる第１プレートと、第１プレート上に着脱自在とされ、前記第１触媒層形成シートを基準面に突き当てて位置決めさせる第１位置決め部材と、第１プレート上に着脱自在とされ、高分子電解質膜を基準面に突き当てて前記第１触媒層形成シートの上に該高分子電解質膜を位置決め配置させる第２位置決め部材と、第１プレート上に着脱自在とされ、第２触媒層形成シートを基準面に突き当てて前記高分子電解質膜の上に該第２触媒層形成シートを位置決め配置させる第３位置決め部材とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の高分子電解質膜と触媒層の積層方法によれば、第１触媒層形成シートの上に高分子電解質膜を専用の位置決め部材で位置決め配置し、さらにこの高分子電解質膜の上に第２触媒層形成シートを専用の位置決め部材で位置決め配置させているので、これら第１及び第２触媒層形成シートと高分子電解質膜との間には位置ずれが生じることがない。
【０００９】
また、本発明方法によれば、第１触媒層形成シート、高分子電解質膜及び第２触媒層形成シートが積層された積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部を形成しているので、この位置ずれ防止部がこれらシートと高分子電解質膜との位置ずれを阻止する。そして、第１プレートと第２プレートでこの積層シートを挟み込んだ状態でホットプレスして接合すれば、アクティブ領域の減少を無くすことができ、発電性能の高い燃料電池を製造することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の積層装置によれば、第１触媒層形成シート、高分子電解質膜及び第２触媒層形成シートのそれぞれを位置決めさせる各位置決め部材を、第１プレートに対して着脱自在としているので、最後のホットプレス工程でこれらの位置決め部材を取り外し、第１プレート上の積層シートの上に第２プレートを載せれば、積層シートをハンドリングすることなくそのままホットプレスすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
「燃料電池スタックの全体構成」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大断面図である。
【００１３】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３をタイロッド７で締め付け、そのタイロッド７の端部にナット１４を螺合させることで構成されている。
【００１４】
この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒（冷却水）をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷媒導入口１２および冷媒排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１５】
かかる構成の燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷媒は、冷媒導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口１３より排出される。
【００１６】
燃料電池単セル２は、図２に示すように、一面側から燃料ガスが供給され、他面側から酸化剤ガスが供給される膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１５と、この膜電極接合体１５の一面に配置されるアノードセパレータ１６と、膜電極接合体１５の他面に配置されるカソードセパレータ１７とから構成され、これらアノードセパレータ１６とカソードセパレータ１７で膜電極接合体１５を挟み込むように積層された構造とされている。
【００１７】
膜電極接合体１５は、例えば水素イオン（プロトン）を通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８の一面に設けられるアノード電極１９と、固体高分子電解質膜１８の他面に設けられるカソード電極２０とからなる。アノード電極１９は、固体高分子電解質膜１８側に配置される触媒層２１と、アノードセパレータ１６側に配置されるガス拡散層２２とからなり、カソード電極２０も同様に、固体高分子電解質膜１８側に配置される触媒層２３と、カソードセパレータ１７側に配置されるガス拡散層２４とからなる。
【００１８】
アノードセパレータ１６には、発電に寄与するアクティブ領域（固体高分子電解質膜１８と接する中央部分の領域）に、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２５が形成されている。一方、カソードセパレータ１７には、アクティブ領域に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２６が形成されている。
【００１９】
「固体高分子電解質膜と触媒層の積層方法及びその積層装置」
次に、固体高分子電解質膜１８の両面に触媒層を積層する積層方法及びそれらを積層するための積層装置について説明する。積層装置に関しては、積層方法の説明の中でその構成を説明するものとする。
【００２０】
先ず、図３に示すように、平面視矩形状のステンレス（ＳＵＳ）などから形成される第１プレート１０１を用意する。この第１プレート１０１は、少なくとも固体高分子電解質膜１８及び触媒層２１、２３よりも大きなプレートとして形成されている。そして、この第１プレート１０１には、後述する工程で積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部を形成するためのダイ孔（切れ刃）１０２が形成されている。ダイ孔１０２は、例えば小さな円形孔として形成されている。
【００２１】
次に、この第１プレート１０１の上に着脱自在とする第１位置決め部材１０３を用意する。かかる第１位置決め部材１０３は、後述する第１触媒層形成シート１０４（図５参照）を、基準面に突き当てて前記第１プレート１０１上に位置決め配置させる役目をする。この第１位置決め部材１０３は、第１プレート１０１の角部を挟む２つの面１０１Ａ、１０１Ｂに、それぞれに対応する前記第１位置決め部材１０３の２つの面１０３Ａ、１０３Ｂを一致させることで、図４に示すように第１プレート１０１に対する配置位置が自ずと決まるようになっている。
【００２２】
第１位置決め部材１０３は、後述する第１触媒層形成シート１０４の３面を突き当てて当該第１触媒層形成シート１０４を前記第１プレート１０１の所定位置に配置させるための突き当て面１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを有している。また、これら突き当て面１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃのうち、２つの突き当て面１０５ａ，１０５ｃには、第１触媒層形成シート１０４の相対向する２辺より突出する突片１０６，１０６を嵌入させる切り欠き部１０７，１０７が形成されている。なお、この切り欠き部１０７，１０７は、前記突片１０６，１０６よりも大きな切り欠きとして形成されている。
【００２３】
第１触媒層形成シート１０４は、触媒担持カーボンと、例えばナフィオン（Dupon社の登録商標名）などの電界質溶液と、水とアルコールなどの溶媒とを混合し分散してなる触媒スラリーをカーボンペーパーの上に塗布乾燥させたシート、または、一面に触媒スラリーを塗布乾燥させた転写シートからなる。
【００２４】
そして、図５に示すように、第１プレート１０１に取り付けられた第１位置決め部材１０３の角部ａ（二つの突き当て面１０５ｂ，１０５ｃの交点）を基準として、第１触媒層形成シート１０４を突き当てて第１プレート１０１上に配置する。すると、第１触媒層形成シート１０４は、前記第１位置決め部材１０３の基準面となる突き当て面１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃに突き当てられることで、自ずと第１プレート１０１の所定位置に位置決め配置されることになる。
【００２５】
次に、第１位置決め部材１０３を取り外し、図６に示す第２位置決め部材１０８を、前記第１プレート１０１の上に載せる。第２位置決め部材１０８は、固体高分子電解質膜１８を基準面に突き当てて前記第１触媒層形成シート１０４の上に位置決め配置させる役目をする。この第２位置決め部材１０８は、第１プレート１０１の角部を挟む２つの面１０１Ａ、１０１Ｂに、それぞれに対応する前記第２位置決め部材１０８の２つの面１０８Ａ、１０８Ｂを一致させることで、図６に示すように第１プレート１０１に対する配置位置が自ずと決まるようになっている。
【００２６】
第２位置決め部材１０８は、固体高分子電解質膜１８の２面を突き当てて当該固体高分子電解質膜１８を前記第１プレート１０１の所定位置に配置させるための突き当て面１０９ａ，１０９ｂを有した、平面視略Ｌ字状のプレートとして形成されている。
【００２７】
そして、図６に示すように、第１プレート１０１に取り付けられた第２位置決め部材１０８の角部ｅ（二つの突き当て面１０９ａ，１０９ｂの交点）を基準として、固体高分子電解質膜１８を突き当てて第１プレート１０１上に配置する。すると、固体高分子電解質膜１８は、前記第２位置決め部材１０８の基準面となる突き当て面１０９ａ，１０９ｂに突き当てられることで、自ずと第１プレート１０１の所定位置に位置決め配置されることになる。その結果、固体高分子電解質膜１８は、第１触媒層形成シート１０４上の所定位置に配置されることになる。
【００２８】
次に、第２位置決め部材１０８を取り外し、図７に示す第３位置決め部材１１０を、前記第１プレート１０１の上に載せる。第３位置決め部材１１０は、後述する第２触媒層形成シート１１１を、基準面に突き当てて前記固体高分子電解質膜１８の上に位置決め配置させる役目をする。この第３位置決め部材１１０は、第１プレート１０１の角部を挟む２つの面１０１Ａ、１０１Ｂに、それぞれに対応する前記第３位置決め部材１１０の２つの面１１２Ａ、１１２Ｂを一致させることで、図７に示すように第１プレート１０１に対する配置位置が自ずと決まるようになっている。
【００２９】
第３位置決め部材１１０は、平面形状が前記した第１位置決め部材１０３と同一形成とされるが、その厚みが異なったプレートとして形成されている。かかる第３位置決め部材１１０は、第２触媒層形成シート１１１の３面を突き当てて当該第２触媒層形成シート１１１を前記固体高分子電解質膜１８の所定位置上に位置決め配置させるための突き当て面１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃを有している。また、これら突き当て面１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃのうち、２つの突き当て面１１３ａ，１１３ｃには、第２触媒層形成シート１１１の相対向する２辺より突出する突片１１４，１１４を嵌入させる切り欠き部１１５，１１５が形成されている。なお、この切り欠き部１１５，１１５は、前記突片１１４，１１４よりも大きな切り欠きとして形成されている。
【００３０】
第２触媒層形成シート１１１は、前記第１触媒層形成シート１０４と同様、触媒担持カーボンと、例えばナフィオン（Dupon社の登録商標名）などの電界質溶液と、水とアルコールなどの溶媒とを混合し分散してなる触媒スラリーをカーボンペーパーの上に塗布乾燥させたシート、または、一面に触媒スラリーを塗布乾燥させた転写シートからなる。
【００３１】
そして、図７に示すように、第１プレート１０１に取り付けられた第３位置決め部材１１０の角部ｃ（二つの突き当て面１１３ｂ，１１３ｃの交点）を基準として、第２触媒層形成シート１１１を突き当てて前記固体高分子電解質膜１８上に配置する。すると、第２触媒層形成シート１１１は、前記第３位置決め部材１１０の基準面となる突き当て面１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃに突き当てられることで、自ずと第１プレート１０１の所定位置に位置決め配置されることになる。その結果、第２触媒層形成シート１１１は、前記固体高分子電解質膜１８の所定位置に配置される。
【００３２】
次に、図８に示すように、第１触媒層形成シート１０４、固体高分子電解質膜１８及び第２触媒層形成シート１１１が積層された積層シートの一部を、パンチ１１６によってパンチングして位置ずれ防止部１１８を形成する。位置ずれ防止部１１８は、積層シートの一部をパンチ１１６で半抜きして孔部１１７を形成し、その孔部１１７内に半抜きして出来た返りを位置させることで形成される。本実施の形態では、積層シート裏面から突出する位置ずれ防止部１１８の量（返り深さ）Ｈを、約２ｍｍ程度としている。
【００３３】
次に、第３位置決め部材１１０を取り外した後、図９に示すように、前記積層シートの上に第２プレート１１９を載せる。第２プレート１１９は、第１プレート１０１と同様、平面視矩形状のステンレス（ＳＵＳ）などから形成されている。これら第１プレート１０１及び第２プレート１１９は、何れもホットプレス装置のホットプレスプレートからなる。
【００３４】
そして、これら第１プレート１０１と第２プレート１１９で積層シートを挟んだ状態でホットプレス装置にセットし、該積層シートをホットプレスする。その結果、第１触媒層形成シート１０４と第２触媒層形成シート１１１は、それらの間に設けた固体高分子電解質膜１８に対して接合一体化される。
【００３５】
「作用・効果」
本実施の形態の積層方法によれば、第１触媒層形成シート１０４の上に固体高分子電解質膜１８を専用の第１位置決め部材１０３で位置決め配置し、さらにこの固体高分子電解質膜１８の上に第２触媒層形成シート１１１を専用の第３位置決め部材１１０で位置決め配置させているので、これら第１及び第２触媒層形成シート１０４、１１１と固体高分子電解質膜１８との間には位置ずれが生じることがない。
【００３６】
また、本実施の形態の積層方法によれば、第１触媒層形成シート１０４、固体高分子電解質膜１８及び第２触媒層形成シート１１１が積層された積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部１１８を形成しているので、この位置ずれ防止部１１８がこれらシート１０４、１１１と固体高分子電解質膜１８との位置ずれを阻止する。そして、第１プレート１０１と第２プレート１１９でこの積層シートを挟み込んだ状態でホットプレスして接合すれば、アクティブ領域の減少を無くすことができ、発電性能の高い燃料電池を製造することが可能となる。
【００３７】
また、本発明の積層装置によれば、第１触媒層形成シート１０４、固体高分子電解質膜１８及び第２触媒層形成シート１１１のそれぞれを位置決めさせる各位置決め部材１０３、１０８、１１０を、第１プレート１０１に対して着脱自在としているので、最後のホットプレス工程で第３位置決め部材１１０を取り外し、第１プレート１０１上の積層シートの上に第２プレート１１９を載せれば、積層シートをハンドリングすることなくそのままホットプレスすることができる。
【００３８】
「その他の実施の形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３９】
例えば、上記した実施の形態では、積層シートを１枚１枚製造する例としたが、図１０に示すように、本実施の形態の積層装置を複数個並べて配置すれば、複数個同時に製造することができ、生産性を大幅に向上させることが可能となり、コストの低減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池単セルの拡大断面図である。
【図３】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、第１プレート上に第１位置決め部材を載せる前の状態を示す図である。
【図４】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、第１プレート上に第１位置決め部材を載せた状態を示す図である。
【図５】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、図５（Ａ）は第１プレート上に第１触媒層形成シートを載せる前の状態を示す図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、図６（Ａ）は第１プレート上に第２位置決め部材を載せて固体高分子電解質膜を第１触媒層形成シート上に位置決め配置させた状態を示す図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、第１プレート上に第３位置決め部材を載せて第２触媒層形成シートを位置決めさせた状態を示す図である。
【図８】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、図８（Ａ）はパンチで積層シートの一部をパンチングして位置ずれ防止部を形成する直前の状態を示す図、図８（Ｂ）はパンチング後の状態を示す位置ずれ防止部近傍の要部拡大断面図、図８（Ｃ）はパンチング後の状態を示す位置ずれ防止部近傍の要部拡大平面図である。
【図９】本実施の形態の積層方法を順に示す工程図であり、第１プレート上の積層シートの上に第２プレートを載せる前の状態を示す図である。
【図１０】積層装置を複数配置した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１５…膜電極接合体
１８…固体高分子電解質膜（高分子電解質膜）
１９…アノード電極
２０…カソード電極
２１、２３…触媒層
１０１…第１プレート
１０３…第１位置決め部材
１０４…第１触媒層形成シート
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ…第１位置決め部材の突き当て面（基準面）
１０８…第２位置決め部材
１０９ａ、１０９ｂ…第２位置決め部材の突き当て面（基準面）
１１０…第３位置決め部材
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ…第３位置決め部材の突き当て面（基準面）
１１６…パンチ
１１７…孔部
１１８…位置ずれ防止部（返り）
１１９…第２プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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